《智能采矿导论》第三章 煤矿开采环境智能感知

第三章 煤矿开采环境智能感知
（2）数据采集的目的 数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁，其原理就是将被测对象的各种参 量通过传感器做适当的转换后，再经过信号调理、采样、保持、量化、编码、传输 等步骤,最后传送到处理器进行数据处理、存储记录和显示打印的过程，其相应的系 统，即为数据采集系统。简而言之，数据采集的目的是为了测量应力、应变、电压、 电流、温度、压力等物理量。
第三章 煤矿开采环境智能感知
4（.13）煤自然发火。井下火灾有2大类：一类是煤层自然发火，即煤本身自燃而造
成的火灾；另一类是普通火灾，即由于外部火源，如电气火花、爆破、吸烟或使用 明火等引起井下坑木梢枝或煤炭着火而造成的火灾。
（4）矿井透水。引起矿井水灾的决定性因素有3个：水源、涌水通道、聚集和排 水条件。水源有地表水和地下水，其中地表水指河流、湖泊、水库、池沼等；地下 水则是指层间水、构造裂隙水、溶洞、老窑积水等。涌水通道是指有构造断裂带、 导水陷落柱及裂隙、封闭不好勘探的导水钻孔等；聚集和排水条件是指排水系统的 完善程度和能力的大小。
分站在线／断线、正常／故障 等状 态；电源充电状态、输出 电压和电流； 传感器在线／断线、标校、故障等状 态
开停状态、累计运行时间、供电电 压和电流
在线／断线、正常／故障等状态
流量、压力、液位、电压、电流、 功率、阀门开闭
在线／断线、正常／故障等状态
在线／断线、正常／故障等状态
在线／断线、正常／故障等状态
第三章 煤矿开采环境智能感知
3.2 煤矿开采环境智能感知体系
煤矿开采环境智能感知是以“科学采矿”、“智能精准开采”理念为指导，以中国矿业 大学多年来形成的矿压监测与支护质量检测理论、技术、软件、仪器为基础，以矿山 压力与围岩控制、煤矿安全高效开采、开采智能监测为知识背景，依托中国矿业大学 矿业工程双一流学科的有利资源，而形成的适用于智能化矿井的感知体系。
第三章 煤矿开采环境智能感知
3.1 煤矿开采环境智能感知的基本功能
煤矿开采环境智能感知的工作特点
煤矿井下是由巷道、竖井、斜井、各种设备设施等构成的庞大的工程系统，由于 系统的特殊性，其井下开采作业环境极其复杂与恶劣。由于井下生产系统工程庞大、 环境恶劣且多种作业同时进行，从而形成了煤矿开采过程监测监控的特殊工作环境。
智能采矿概论
中国矿业大学 矿业工程学院
2017.6
第三章 煤矿开采环境智能感知
一
煤矿开采环境智能感知的基本功能
二
煤矿开采环境智能感知体系
三
煤矿开采环境智能感知关键技术
四
光纤光栅智能感知技术
五
矿用光纤光栅智能传感器
本章重点难点
1、煤矿开采环境智能感知的基本功能 2、煤矿开采环境智能感知体系 3、煤矿开采环境智能感知关键技术 4、光纤光栅智能感知技术 5、矿用光纤光栅智能传感器
第三章 煤矿开采环境智能感知
4.1
排水设备
安全设备
水泵
安全监控系统分站、电源、传感器
瓦斯抽放设备 人员定位基站 供水设备 应急通信装置 矿压监测设备 IP扩播装置 工业视频设备
运行时间、运行台数、排水量、电 流、电压、功率、功率因数、出口压 力、流量、电动闸阀工作状态与启闭 位置、电动机温度保护信号、电动机 内腔贫水保护信号、动静态绝缘监测 保护信号
第三章 煤矿开采环境智能感知
智能传感器技术
智能传感器定义
智能传感器概念最初是在美国宇航局开发宇宙飞船过程中提出的，即把传感器和
微处理器结合在一起，这样在20世纪70年代末就出现了智能传感器。目前，认为“传
感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。
智能传感器主要由传感器、微处信号调理（或微计算机）及相关电路组成，其基本
在线／断线、正常／故障等状态
第三章 煤矿开采环境智能感知
井下生产状态感知
井下生产状态感知需要利用煤矿井下/井上传感网络进行数据采集传输，目前利用 较多的传感方式为有线或无线传感网络，本书以无线传感网络为例进行阐述。无线 传感器网络是一种自组织网络，集数据采集、处理和通信于一体，传感器负责采集、 处理并压缩数据，使用多跳路由协议将数据信息发送到无线基站网关。
第三章 煤矿开采环境智能感知
4.1
井下生产状态传感网络设计示意图
第三章 煤矿开采环境智能感知
煤矿安全风险感知
煤矿井下开采主要的安全风险主要包括如下部分： （1）瓦斯爆炸。矿井中能爆炸的气体有CH4、H2、C2、H6、H2S、SO2及CO等几 种。其中，以瓦斯的含量最多，约占90%以上。瓦斯的含量是关系矿井能否发生瓦 斯爆炸的决定因素。矿井中产生瓦斯有以下4个来源：1）从采落下来的煤炭内放散 出来的；2）采掘工作面的煤壁内涌出来的；3）从煤巷两帮及顶底板涌出来的；4） 从采空区的浮煤涌出来的。 （2）煤尘爆炸。煤矿的采、掘、运等生产工艺过程中，均会产生大量粉尘，其粒 径小于1mm。大多数煤尘在一定条件下都能引燃，并能产生猛烈爆炸破坏。
1）A级矿井得分在85～100分之间为安全矿井，该类矿井基本无安全事故，属于 无危险的矿井；
2）B级矿井得分在75～85分之间为基本安全矿井，该类矿井无大事故，属于危险 较小的矿井；
3）C级矿井的得分在60～75分之间险很大的矿井，需要停业整顿；
第三章 煤矿开采环境智能感知
井下设备工况感知
目前，国内大部分煤矿应用设备巡检记录仪读取设备标志卡，对机电设备主要运 行参数进行人工检测与记录；或者通过机电设备监测监控系统利用各类传感器实时 自动采集现场设备运行参数，并通过工业以太环网上传至服务器，对现场实时数据 进行处理、存储与发布。但多数煤矿机电设备配套的专用监测监控系统运行相对独 立，无法有效实现机电设备间协同工作。通过采用井下设备感知系统，可实时采集 机电设备运行参数，结合日常设备巡检记录，对设备全生命周期动态管理，实现设 备预防性维护，使设备管理及维检人员及时准确地掌握设备运行状况。各类机电设 备主要监测参数见下表。
4）D级矿井的得分在<60分，这类矿井为不安全矿井，该类矿井易发生重特大事 故，属于非常危险的矿井，必须关闭。
分级方法和标准要结合评价方法和危险源分级管理的实际需要来确定，要比较客 观地反映评价煤矿的实际安全状况。由于煤矿安全现状综合评价是一个动态的过程， 因此对煤矿安全现状综合评价等级采取动态管理，要及时发现煤矿安全管理中的重 大变化，对安全管理严重滑坡、对存在的重大事故危险源治理不及时的要采取相应 处理措施。
结构如图所示。
前处理
后处理
信
传
被测量
感
器
号 调 理 电
微 处 理 器
输 出 接
口
数 字 量 输
出
路
软
数据输入准备： 数据的处理：
数据输出准备：
件
数据的调整、选 分析、保存等
输出格式和界面
部 分
择等
制定等
智能传感器基本结构
第三章 煤矿开采环境智能感知
传感器将被测量转化成相应的电信号，送到信号调理电路中，经过滤波、放大、 模/数转换后送到微处理器中，微处理器对接收到的信号进行计算、存储、数据分析 和处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节以实现对测量过 程的调节和控制，另一方面将处理后的结果传送到输出接口，经过接口电路的处理 后按照输出格式和界面定制输出数字化测量结果。智能传感器中，微处理器是智能 化的核心，软件部分的运算及相关调节与控制只有通过它才能实现。
工作特 点
监测设备工作环境异常恶劣 监测对象种类多、数量广
监测点范围广、分布不均
第三章 煤矿开采环境智能感知
煤矿开采环境智能感知的基本目的
煤矿开采环境智能感知的目的是为煤矿安全监督管理引入了新的理念、新的技术 和新的方法，通过把各种类型的传感器应用到煤矿安全监控系统中，智能的感知“人 员，机械，矿山环境”的各种状态信息。将现有的分散的，独立的，单一的监测监控 平台进行升级，幵放，和集成多综合的监控系统，来实现人与机械的，环境的和其 他物理系统，以及物与物、人与物的互相联动，从而保证煤矿的安全生产，实现安 全监督管理中“物物互联、智能感知、物物互动、智慧处理”的设想。
第三章 煤矿开采环境智能感知
4.1
分类
开采设备
掘进设备 供电设备 运输设备
通风设备
煤矿机电设备主要监测参数
采煤机
液压支架 刮板输送机 破碎机
转载机
主要设备
掘进机、连采机、锚杆机
高低压配电柜、移动变电站、高低压动力 开关
主提升机、副提升机
带式输送机
辅助运输设备
主要通风机 压风机 局部通风机
主要监测参数 开停状态、位置、电压、电流、牵引速度、 左右滚筒高度、温度、累计运行时间、方 向 支架高度、前后柱压力 开机率、温度、开停状态 开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、 电流、转速及转矩 开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、 电流、转速及转矩 开停状态、故障、开关电压、电流、功率 因数、运行时间、油缸油压与位移、截割 电机工作时间
由于矿业工程领域地质灾害的复杂性、隐蔽性和突发性等显著特点，且缺少准确、 有效的监（检）测手段与智能感知设备，使煤矿开采过程中出现安全问题不能及时发 现和有效处理，成为煤矿工程行业安全隐患的主要根源。因此非常有必要通过传感器 进行相关数据的监测感知，并通过模糊综合评判法来确定煤矿企业安全评价等级。
煤矿安全评价是辨识和消除煤矿生产系统危险的重要方法，我国煤矿的安全评价绝 大多数是应用安全检查表对现场进行安全评价，并给出评价值，在这一评价过程中， 必然要涉及到评价指标的安全度值问题。由于矿井安全评价指标包含许多不确定性、 随机性和模糊性，还涉及到人员心理因素等信息量，这就致使安全度的确定出现了不 准确性。
电压、电流、电量、有功功率、无功功率
钩数、质量、运行时间、提升速度、开停 状态
运煤量、开停状态、故障状态、保护信号、 运行速度、张力、温度、电流、电压
载人（货）信息、车辆信息、速度、运行 轨迹
负压、风量、电压、电流、振动、轴承温 度、绕组温度、转速
开停状态、风量、压力、电压、电流 开停状态、电压、电流
（5）矿工心理状态。从历年来所发生的事故来看，多数事故是由于客观和主观因 素同时产生作用而发生的。在煤矿生产中，导致事故的主观原因是源于某些不良心 理。这些不良的心理状态使煤矿工人有意识的进行可能带来危险的操作或指挥。比 如我们常常提到的侥幸心理、麻痹型心理、懒惰型心理等。
第三章 煤矿开采环境智能感知
井下无线覆盖主要利用本安交换机、光纤耦合器、本安以太网延长器以及无线基 站实现的，工作主要由无线基站完成。根据井下网络覆盖需求，在井下巷道、采煤 工作面等区域布置大量的无线基站，利用无线基站的覆盖范围能力来保证所有无线 终端所发射的信息都能被基站接收。基站与本安交换机通过以太网延长器或光纤耦 合器相连接，将接收到的终端信息发送给交换机，交换机通过光纤耦合器接入井下 光纤骨干网，从而将终端的信息传输给骨干网络，进而传输到地面指挥中心。井下 生产状态传感网示意图如下图所示。
井下人员信息感知
井下生产状态感知
煤矿开采 环境智能 感知体系
井下设备工况感知
煤矿安全风险感知
第三章 煤矿开采环境智能感知
井下人员信息感知
在进行煤矿开采过程中，井下人员管理信息感知系统发挥着至关重要的作用，其 具有监测查询功能、双卡考勤功能、安全保障功能、遇险救灾指引功能、信息联网 功能等，不仅可以确保煤矿井下开采工作的顺利进行，而且还可以实时、动态的了 解和掌握井下员工的工作情况，从而有效提高煤矿安全生产和管理水平，对煤矿企 业的发展起到了积极的推动作用。
第三章 煤矿开采环境智能感知
3.3 煤矿开采环境智能感知关键技术
感知数据采集技术
（1）数据采集技术 数据采集是利用计算机、自动化、通信技术、传感器技术等工具，将工业/工程 现场等诸多实际现场信息参数，通过处理、分析、压缩，最后传输到中心系统数据 仓库中的一种技术。数据采集的含义很广，对面状态连续物理量的采集可称为数据 采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据 采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。
为了明确表征煤矿安全程度，需要确定评价等级的分级方法和分级标准。安全等级 的划分对实现科学监察和分类管理具有十分重要的意义。我们建议，参照危险源划分 办法，其它行业划分等级的方法及煤炭行业的实际情况，煤矿安全评价的等级依据专 家对评价结果的打分统一划分为4个等级即A、B、C、D。
第三章 煤矿开采环境智能感知